CN113167134A - 残余气体中能量的回收 - Google Patents

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Abstract

一种用于回收残余气体中能量的***，该***包括至少两个能量转化单元(1)，该能量转化单元包括具有燃料入口(9)的燃烧室(2)、以及具有热交换器(3)的斯特林发动机(4)，该热交换器具有容纳工作流体的管组，该热交换器的一部分延伸到燃烧室(2)中。该***进一步包括压力控制***，该压力控制***包括工作流体的高压储器(21)、工作流体的低压储器(22)、被配置为保持这些储器之间的压力差的压力泵(23)、以及用于调节流体回路中的压力的控制布置(31，32，33)。

Description

残余气体中能量的回收
技术领域
本发明涉及比如冶炼厂等工业过程中产生的残余气体中能量的回收。具体地，本发明涉及用于这种能量回收的斯特林(Stirl ing)发动机的使用。
背景技术
在许多实业公司中，各种过程产生残余气体，通常包括可燃气体的混合物。一个具体示例是冶炼厂的还原过程，其中碳与金属氧化物中的氧发生反应，以获得纯金属，而CO作为其余产品。进一步地，由于巨大的热量，金属矿石中的水被分解成氢(H2)和氧。CO和H2的混合比将取决于矿石中的水分的量。
常规地，这种残余气体在一定程度上用于冶炼厂的各种加热应用。然而，典型地，大部分(例如40％或更多)的残余气体不能使用，并且然后被简单地在火炬烟囱中燃烧，以去除有毒的CO。
由于H2含量变化很大，从残余气体中回收能量具有挑战性。例如，因为当H2与氧混合并被压缩时，点火不能被控制，所以燃烧式发动机是不可行的。此外，气体可能含有可能损坏燃烧式发动机的污染物(例如可能熔化并粘附至气缸和阀的颗粒)。
因此，需要一种改进的方式来回收来自工业过程的残余气体中的能量。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，并且提供一种回收来自工业过程的残留气体中的能量的改进方法。
根据本发明的第一方面，此目的和其他目的通过一种用于回收工业过程中产生的残余气体中的能量的***来实现，该***包括至少两个能量转化单元，每个单元包括：燃烧室，该燃烧室具有燃料入口，该燃料入口被配置为接收用于在该室中燃烧的残余气体流；以及斯特林发动机，该斯特林发动机被配置为将来自燃烧室的热量转化成机械能，该斯特林发动机具有容纳可压缩工作流体的流体回路，该回路包括具有管组的热交换器，该热交换器的一部分延伸到燃烧室中。该***进一步包括压力控制***，该压力控制***包括工作流体的高压储器、工作流体的低压储器、连接在高压储器与低压储器之间并被配置为保持这些储器之间的压力差的压力泵、以及被配置为将每个斯特林发动机的流体回路与高压储器和低压储器之一处于流体连接以调节流体回路中的压力的控制布置。
众所周知，斯特林发动机可以用于将来自可用热源(比如燃烧过程)的热量转化成机械(旋转)能。根据本发明，斯特林发动机的热交换器延伸到燃烧室中，来自工业设备的残余气体供应到燃烧室中并在其中燃烧，该热交换器包括用于输送工作流体(例如氢气)的管组。
该***包括多个斯特林发动机(至少两个，但可能更多)，每个斯特林发动机与单独的燃烧室相关联。每个斯特林发动机及其燃烧室形成模块化能量转化单元，从而使得可以通过简单地包括更多或更少的转化单元(燃烧室和相关联的斯特林发动机)来将该***扩展到特定的工业过程。
为了在斯特林发动机中保持高能量转化比，根据输入燃烧室的功率(燃料的量和成分)来调节内部工作介质的压力是很重要的。输入功率越高(燃料越多)，所需压力就越高。
在常规的斯特林发动机中，工作介质的压力典型地由集成在斯特林发动机中的压力泵控制。本发明人已经认识到，当组合多个斯特林发动机以获得期望的燃烧能力时，具有用于控制所有斯特林发动机中工作介质压力的共用压力控制***是有利的。
根据本发明，这种压力控制***包括高压储器、低压储器、以及连接成在高压储器中保持相对较高压力的压力泵。该***还包括用于调节斯特林发动机的流体回路中的压力的控制布置。
本发明降低了成本，因为多个斯特林发动机只需要一个压力泵。进一步地，高压储器使得能够使用较小的压力泵，因为高压储器可以提供短期的压力增大。而且，由于根据本发明的压力泵可以独立于(多个)斯特林发动机的输出轴而操作，所以寄生功率消耗将更少。
根据一个实施例，控制布置包括连接至每个斯特林发动机的单独的压力控制器(例如，阀组和相关联的控制回路)。由此，每个流体回路中的压力可以根据斯特林发动机中的状况(比如工作流体的温度)单独控制。例如，温度传感器可以设置在热交换器上、并且被连接成向压力控制器提供指示工作流体的温度的控制信号。由此，可以基于工作流体温度来优化每个流体回路中的压力。
替代性地，控制布置包括连接至所有斯特林发动机的单一压力控制器(例如阀组和相关联的控制回路***)。由此，所有流体回路中的压力可以用单一压力控制器来控制，从而降低了成本和复杂性。
由于这种“集群”控制，每个斯特林发动机不能单独控制，因此可能无法以最大效率操作。另一方面，阀的数量显著减小。
类似地，向燃烧室供应残余气体存在不同的选择。在一个实施例中，每个燃料入口连接至单独的燃料流量控制器(例如，阀和控制回路)，该燃料流量控制器被配置为调节通过燃料入口的残余气体的流量。这允许对每个燃烧室的燃料供应进行单独控制，以优化性能。而且，在一个单元出现故障状况的情况下，该单元的燃料供应可以被切断，而其他单元继续操作。
替代性地，在另一个实施例中，所有燃料入口都连接至共用燃料流量控制器(例如，阀和控制回路)，该共用燃料流量控制器被配置为调节通过所有燃料入口的残余气体的流量。在这种情况下，所有燃烧室的燃料供应可以由单一流量控制器控制，从而降低成本和复杂性。进入每个燃烧室的燃料流量将取决于从共用燃料阀到相应燃烧室的压降。如果进入不同燃烧室的燃料流量不同，共用流量控制器可以基于最大燃料流量来控制燃料流量。这种控制可以用于实现所有能量转化单元的平衡，以获得最佳性能。
附图说明
将参考附图更详细地描述本发明，附图示出了本发明的当前优选实施例。
图1a示出了能量转化单元的示例的透视图。
图1b示出了图1a中的斯特林发动机的一个工作流体回路。
图2示出了具有根据图1的能量转化单元的模块化***。
图3示意性地示出了根据本发明的第一实施例的斯特林发动机组中的工作流体压力的控制。
图4示意性地示出了根据本发明的第二实施例的斯特林发动机组中的工作流体压力的控制。
具体实施方式
图1a示出了能量转化单元1，该能量转化单元包括燃烧室2、热交换器3和斯特林发动机4，该斯特林发动机具有一个或几个气缸5，每个气缸具有藉由杆8连接至输出轴7的活塞6。燃料入口9被提供用于要在室2中燃烧的气体燃料的入口。
斯特林发动机的部件和工作原理在本领域是已知的，这里将不再详细描述。然而，简而言之，斯特林发动机使工作流体(例如氢气)在气缸的冷侧与热侧之间来回移动。在热侧，工作流体膨胀，从而操作气缸中的活塞。在冷侧与热侧之间的路径上，工作流体被加热。因此，在斯特林发动机操作期间，工作流体压力在高压(在压缩阶段期间)与低压(在膨胀阶段期间)之间交替。作为示例，压力比可以是1到1.6。
在本示例中，工作流体的加热由热交换器3完成，该热交换器包括延伸到燃烧室中的管组。当燃料在燃烧室中燃烧时，热交换器中的工作流体在到达气缸的热侧之前被加热。
所展示的斯特林发动机4包括四个气缸5，每个气缸与热交换器3的一个部分3a(如图1b所示)相关联。原则上，每个气缸5和相关联的热交换器3的部分3a形成单独的工作流体回路10。然而，典型地，这些流体回路是连接的，使得每个四缸斯特林发动机只具有一个单一工作流体回路10。
图1a中的斯特林发动机4的总输出功率为几十kW的量级，例如30kW。为了处理来自工业过程的残余气体流，需要明显更高的功率，例如几百kW的量级。图2示出了模块化***，其包括布置在合适的支撑壳体11中的多个能量转化单元1。在所展示的示例中，十四个30kW的单元被布置成提供超过400kW的总功率。该***中的每个单元1包括一个斯特林发动机和一个燃烧室(原理上类似于图1a中的单元)，并且被配置为接收和燃烧气体燃料(比如来自工业过程的残余气体)。气体燃料被提供在供应管道12中，该供应管道分支到每个燃烧室。这些斯特林发动机连接至一个或几个输出轴(图2中未示出)，并且模块化***因此被配置为将气体燃料中的化学能转化成机械(旋转)能。(多个)输出轴可以连接至发电机(未示出)，用于产生电能。发电机可以连接至本地能量储存器，或者被连接成向主电网供电。
斯特林发动机操作的一个特定方面是工作流体的压力优选地应当基于输入功率来调节。输入功率越高，就需要更多的气体(即更高的压力)来吸收功率。原则上，将工作流体的温度保持尽可能高是有利的。同时，工作流体必须能够从热交换器中耗散足够的热量，以防止损坏热交换器的管。因此，工作流体压力的控制典型地基于工作流体温度来完成。当温度升高时，压力增大，反之亦然。
在实际示例中，燃烧室中的温度可能高达2000摄氏度。为了防止损坏热交换器的管，已经发现工作流体温度优选地不超过约750摄氏度。本领域技术人员将理解，合适的工作流体温度将取决于几个设计参数，比如热交换器的材料和几何设计的选择。
为了允许进行工作流体压力控制，常规的斯特林发动机可以包括止回阀组，以将(多个)工作流体回路分成高压侧和低压侧。进一步地，排出阀连接至高压侧、并且经操作以通过排出工作流体来降低工作流体回路中的压力，供应阀连接至低压侧、并且经操作以通过将工作流体回路连接至高压罐来增大工作流体压力。进一步地，压力泵(压缩机)连接在排出阀与高压罐之间，并且被配置为增大排出的工作流体的压力。压力泵也可以连接至附加的工作流体储存器，以使得能够补偿***中的任何泄漏。压缩机可以由斯特林发动机的输出轴直接操作，从而实现紧凑的设计。然而，这样的设计也意味着压缩机始终在运行，因此消耗了发动机输出功率的一部分。
典型地提供紧急(或短路)阀来实现斯特林发动机的高压侧和低压侧的短路。这种短路将立即停止斯特林发动机，并且在空载条件下(例如，连接至输出轴的发电机故障或断开连接)可能需要这种短路。
根据本发明，取消了直接连接至斯特林发动机的输出轴的压力泵，从而显著降低了斯特林发动机的成本。代替地，如图3和图4所展示的，模块化***中的每个斯特林发动机连接至共用高压储器21和共用低压储器22。压力泵23布置在低压储器与高压储器之间，以保持压力差，并且由此保持高压储器中的压力。
根据第一实施例，在图3中展示了四个能量转化单元1的情况，类似于常规方法，每个斯特林发动机4仍然设置有两个阀(连接至低压侧的供应阀31和连接至高压侧的排出阀32)。然而，在此实施例中，供应阀31连接至高压储器21，而排出阀32连接至低压储器22。在高压侧与低压侧之间还设置了紧急阀36(仅针对图3左侧的单元1示出)，以允许高压侧和低压侧短路，从而有效地停止斯特林发动机。
每对阀31、32的操作由控制器33控制，该控制器被配置为对阀进行操作，以便将工作流体保持在确保高效率而不损坏热交换器3的压力下。温度传感器34组可以布置在热交换器3的管上。例如，温度传感器可以布置在焊接至管的囊状件(capsules)中。由于工作流体的有效循环，管的温度将提供工作流体温度的可靠指示。传感器34向控制器33提供指示温度的信号。在本示例中，多达16个传感器可以设置在热交换器3上的多个不同位置。为简单起见，控制器33和传感器34仅针对图3右侧的单元1示出。
通过供应管道12向燃烧室提供燃料(这里是来自工业过程的残余气体)。该管道经由燃料阀35连接至每个燃烧室2的燃料入口9。
每个单元1的控制器33可以连接成也操作相关联的燃料阀35，以提供工作流体压力与输入功率的更好匹配，从而优化每个斯特林发动机的能量转化效率。
根据第二实施例，在图4中展示了四个能量转化单元的情况，移除了每个斯特林发动机的阀，并且由单一的一对阀41、42代替，模块化***中的所有斯特林发动机共用这对阀。供应阀41将所有工作流体回路连接至高压储器21，而排出阀42将所有流体回路连接至低压储器22。紧急阀46连接在高压侧与低压侧之间。
控制器43连接至阀41、42，并且被配置为对阀41、42进行操作以保持工作流体回路10中的所需压力。类似于图3中的实施例，一个或几个传感器44可以布置在热交换器3的管上、并且被连接成向控制器43提供关于工作流体温度的信息。控制器43和两个阀41、42控制所有回路10中的工作流体的压力。所有斯特林发动机因此作为一个集群进行控制，并且此实施例的控制可以被称为“集群控制(cluster control)”。
在图4的实施例中，燃料供应也由“集群”控制来控制，并且图3中的各个燃料阀35已经被单一阀45代替，该阀将供应管道12连接至所有的燃料入口9。该阀可以具有单独的控制器(未示出)，或者由控制器43控制。
基于从所有燃烧室接收到的温度信息，控制器43确定适当的工作流体压力。在此实施例中，不再可能在每个斯特林发动机中实现最佳工作流体压力。代替地，控制器43基于最高工作流体温度来调节工作流体压力，以确保相关联的热交换器3不会过热和损坏。根据所有室中的温度，可能进一步有利的是通过阀45调节残余气体的供应，以进一步提高效率。对每个燃烧室的最终燃料供应将取决于从阀45到相应燃烧室的压降(例如由将相应燃烧室与阀45连接的管道的长度和尺寸引起)。可以在每个燃料入口处设置节流阀或其他类型的基本流量控制，以允许简单的流量控制。
作为中间解决方案，图4中的工作流体压力的集群控制可以与如图3所示的燃料供应的单独控制相结合。在一个或几个斯特林发动机中的工作流体压力明显偏离最佳压力的情况下，通过改变进入特定燃烧室的燃料供应速率，则可能提高效率。
本领域的技术人员认识到，本发明决绝不局限于上文描述的优选实施例。相反地，在所附权利要求的范围内，许多修改和变化是可能的。例如，图3中的单独工作流体压力控制可以与图4中的燃料集群控制相结合。进一步地，完整的模块化***(例如图2中的***)可以包括两个或更多个“集群”，每个集群的工作流体压力由一个控制器和阀组来控制。

Claims (9)

1.一种用于回收工业过程中产生的残余气体中的能量的***，包括：
至少两个能量转化单元(1)，每个单元包括：
燃烧室(2)，该燃烧室具有燃料入口(9)，该燃料入口被配置为接收用于在所述室内燃烧的残余气体流；以及
斯特林发动机(4)，该斯特林发动机被配置为将来自该燃烧室的热量转化成机械能，该斯特林发动机具有容纳可压缩工作流体的单独的流体回路(10)，所述流体回路包括具有管组的热交换器(3)，所述热交换器的一部分延伸到该燃烧室(2)中；以及
压力控制***，该压力控制***包括：
工作流体的高压储器(21)；
工作流体的低压储器(22)；
压力泵(23)，该压力泵连接在所述高压储器与所述低压储器之间、并且被配置为保持所述储器之间的压力差；以及
控制布置(31，32，33；41，42，43)，该控制布置被配置为将每个斯特林发动机的流体回路与所述高压储器和所述低压储器之一处于流体连接，以调节每个单独的流体回路中的压力。
2.如权利要求1所述的***，其中，每个斯特林发动机具有将该流体回路的低压侧与该高压储器(21)连接的供应阀(31)、以及将该流体回路(10)的高压侧与该低压储器(23)连接的排出阀(32)，并且其中，该控制布置包括用于每个斯特林发动机的单独的压力控制器(33)，所述压力控制器(33)被配置为控制所述供应阀(31)和所述排出阀(32)。
3.如权利要求1所述的***，其中，该控制布置包括用于将该高压储器(21)与所有斯特林发动机的流体回路(10)的低压侧连接的共用供应阀(41)、用于将该低压储器(22)与所有斯特林发动机的流体回路(10)的高压侧连接的共用排出阀(42)、以及被配置为控制所述共用供应阀(41)和所述共用排出阀(42)的单一压力控制器(43)。
4.如权利要求1至3之一所述的***，其中，每个热交换器(3)设置有至少一个温度传感器(34)，该至少一个温度传感器被连接成向该斯特林发动机的与该燃烧室相关联的压力控制器提供温度信号。
5.如前述权利要求之一所述的***，其中，每个燃料入口(9)连接至单独的燃料阀(35)，该燃料阀被配置为调节进入该燃料入口(9)的残余气体的流量。
6.如权利要求1至4之一所述的***，其中，所有的燃料入口(9)连接至共用燃料流量阀(45)，该共用燃料流量阀被配置为调节进入所有燃料入口(9)的残余气体的流量。
7.如前述权利要求之一所述的***，其中，每个斯特林发动机(4)具有相同的功率容量。
8.如权利要求7所述的***，其中，每个斯特林发动机(4)具有大致相同的设计。
9.如权利要求1所述的***，其中，每个斯特林发动机包括多个、优选四个气缸，每个气缸与工作流体子回路相关联，所述工作流体子回路被连接成形成相应的斯特林发动机的单独的流体回路。
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